CN114314747B - 一种集储藻与超声抑藻于一体的太阳能浮游装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提出一种集储藻与超声抑藻于一体的太阳能浮游装置及方法，其供电电源包括太阳能供电系统，装置包括船体和船体处的藻类收集储存系统、超声抑藻系统与浮游推进系统；藻类收集储存系统包括收集箱、螺旋压滤机、活塞收集装置和用于收集水体藻类的传送带，以船体前进时的水压把藻类收集至传送带处；超声抑藻系统位于藻类收集储存系统旁侧，包括能以超声波对水体表层抑藻的超声波发生器和超声波换能器；船体以浮游推进系统驱动并浮游运行于水面，浮游推进系统对船体游动速度进行控制，使之能与藻类收集面积、抑藻范围相匹配；本发明可实现对藻类收集，并利用超声波技术抑制藻类；利用太阳能供电，清洁无污染，具有节能减排的优点。
Description
技术领域
本发明涉及水处理技术领域，尤其是一种集储藻与超声抑藻于一体的太阳能浮游装置及方法。
背景技术
随着社会工业化进程的加快，大量的氮、磷等营养物质进入天然水体造成水体富营养化，其常导致藻类暴发性生长，形成水华或赤潮。水华赤潮大量消耗水中的氧气，扰乱生态系统，还可能释放毒素污染人类饮用水源。
传统的蓝藻水华治理可采用物理、化学、生物法。物理法一般是通过人工打捞的方式达到除藻目的，消耗人力物力；采用化学药品大规模杀灭藻类方法时，往往会造成藻细胞破裂，导致藻细胞内容物、藻毒素释放到水中，对水体形成二次污染；采用生物法处理耗时长且除藻效果不彻底；这些传统处理方法有效期短，种源清除不彻底，且工艺复杂，能耗高，危害大。
超声技术是一种环境友好型除藻技术，主要是通过超声波空化产生的高温裂解效应和自由基氧化效应来破坏藻类细胞中的光合色素，降低其光能捕获能力，从而抑制其光合作用，最终导致藻细胞的死亡。此外，自由基效应还可去除水中藻毒素、消毒副产物、持久性有机污染物、内分泌干扰物、有毒有害的难降解有机物等，在水处理中的应用越来越广泛。
针对传统的水华治理方法存在的问题，本发明通过设计集储藻和超声抑藻于一体的太阳能漂浮装置，利用传送带进行藻类的收集可弥补传统人工打捞消耗人力的缺点，同时采用浮游式船体于水面漂浮前进可大面积收集藻类并加以回收利用；采用超声波抑藻技术可通过控制超声频率尽量避免藻细胞的破裂，亦可利用超声波空化产生的高温裂解效应和自由基氧化效应去除藻细胞释放的藻毒素，避免二次污染问题，同时超声技术对藻类的杀害一般是不可逆的，可达到彻底抑藻的目的。本发明利用漂浮螺旋压滤、超声等技术收集藻类并抑制其生长，除藻成效显著，综合性强，不引入其它化学物质，可防止水体二次污染，运行成本低，可有效治理水华；此外利用太阳能供电，清洁无污染，具有节能减排的优点。
发明内容
本发明提出一种集储藻与超声抑藻于一体的太阳能浮游装置及方法，用于富营养化水体的蓝藻水华治理；通过浮游船体在水面漂浮前进实现对藻类的大面积收集，并利用超声波技术抑制藻类；利用太阳能供电，清洁无污染，具有节能减排的优点。
本发明采用以下技术方案。
一种集储藻与超声抑藻于一体的太阳能浮游装置，所述装置的供电电源包括太阳能供电系统，装置包括船体和船体处的藻类收集储存系统、超声抑藻系统与浮游推进系统；所述藻类收集储存系统包括收集箱、螺旋压滤机、活塞收集装置和用于收集水体藻类的传送带，所述传送带的斜面朝向船体前进方向，以船体前进时的水压把藻类收集至传送带处；所述超声抑藻系统位于藻类收集储存系统旁侧，包括能以超声波对水体表层抑藻的超声波发生器和超声波换能器；所述船体以浮游推进系统驱动并浮游运行于水面，浮游推进系统对船体游动速度进行控制，使之能与藻类收集储存系统的藻类收集面积、超声抑藻系统的抑藻范围相匹配。
所述太阳能供电系统的太阳能发电板设于船体的浮筒处；所述太阳能发电板与蓄电池组相连以储存电能；所述蓄电池组包括锂电池；太阳能供电系统通过逆变器把蓄电池组的直流电转换为交流电并输出供电。
所述传送带为可透水式传送带，其传送面处设有压滤布，还设有用于暂存含藻类水体的水坎结构；所述收集箱位于传送带末端处，设有朝向螺旋压滤机的倾斜面漏口；所述螺旋压滤机包括螺距变化的螺旋结构，还包括压滤布、旋转电动机、螺旋叶片、背压板，所述活塞收集装置包括推进活塞和活塞收集箱底部出水口。
所述传送带运行时把水坎结构中的含藻类水体输送至收集箱；当收集箱内的含藻类水体经收集箱的倾斜面漏口进入螺旋压滤机后，所述螺旋结构压缩含藻类水体使之形成藻泥，压缩过程挤出的水经无纺布层过滤后，从螺旋压滤机的底部排出，经过收集槽流向船体后方的活塞收集装置以供回收利用。
所述超声波换能器数量不少于两个，各超声波换能器的超声波发射方向不同。
所述超声波发生器包括信号发生器和功率放大器两部分，输出频率范围为20kHz~40kHz。
所述浮游推进系统包括设于浮游装置尾部的螺旋桨；所述螺旋桨由电动机驱动；所述电机与电机调速器相连。
所述藻类收集储存系统的传送带设于船体的船头处；所述超声抑藻系统的超声波换能器设于传送带旁侧及船体的船身旁侧处。
一种集储藻与超声抑藻于一体的太阳能浮游装置的工作方法，包括以下步骤；
步骤S1：当太阳能供电系统的太阳能控制器检测到太阳能发电板的发电量达到预设值时，蓄电池组通过时间控制器输出直流电供给传送带、逆变器及电机调速器开关，经逆变器转换为220V交流电，输出给超声波发生器；
步骤S2：利用船体向前推进时传送带斜面与水产生的作用力，将水中的藻通过传送带的压滤布捞取，传送带运送藻类时，通过传送面处的水坎来储存一小部分的水送至收集箱中，当水流过收集箱中的倾斜面漏口时，收集箱内的藻类在水的带动下通过重力作用从收集箱滑至螺旋压滤机，螺旋压滤机以电机驱动其螺旋结构，由于螺旋压滤机中的螺距不同使泵入的藻泥得到压缩，从而使得藻泥中的水分透过外部的无纺布被进一步排干，水分从螺旋压滤机的底部排出，经过收集槽流向船体后方以供回收利用；
步骤S3：在船体浮游并收集藻类时，超声波发生器将电能转换成与超声波换能器相匹配的高频交流电信号，驱动超声波换能器向水体发射特定频率超声波，利用超声波空化产生的高温裂解效应和自由基氧化效应抑制藻细胞生长；同时，电机调速器开关通过电动机来控制螺旋桨的转速，以控制船体在水面上的游动速度，进而控制藻类收集面积及超声波作用范围；
步骤S4：当蓄电池组的电量低于预定电量值时，停止对超声波发生器及电动机的供电，整个装置停止运行，直至下一次太阳能控制器检测到太阳能发电板的发电量达到预设值。
所述太阳能浮游装置以太阳能发电板的发电量为启停作业的时间触发条件，当太阳能供电系统的太阳能控制器检测到太阳能发电板的发电量达到预设值时，即为水体处光照较强，藻类生长旺盛的时段，当蓄电池组的电量低于预定电量值时，即为水体处光照较弱，藻类生长不旺的时段。
相较于现有技术，本发明具有以下有益效果：
一、设置藻类收集储存装置，回收利用藻类生物质能源的同时可减轻超声抑藻的负荷；
二、采用独特的螺旋压滤装置对藻类进行脱水收集可实现藻水快速分离，提高集藻效率；
三、利用超声波技术对未被收集的藻类进行抑制生长处理，同时能去除水中藻类产生的藻毒素等有害物质。
本发明中，收集箱后部特殊斜槽构造可让藻类依靠余水借助自重落入螺旋压滤机，通过其压滤作用形成的渣状藻类物质掉入活塞收集装置中得到进一步压缩储存，便于后续回收藻类并利用其生物质能源。
附图说明
下面结合附图和具体实施方式对本发明进一步详细的说明：
附图1是本发明的示意图；
附图2是本发明的原理示意图；
图中：1-螺旋桨；2-太阳能发电板；3-螺旋压滤机；4-传送带电机；5-传送带；6-传送带旁侧处的超声波换能器；11-船体船身旁侧处的超声波换能器；7-超声波电机；8-活塞收集装置；9-蓄电池组；10-浮筒；12-活塞压缩装置后部电机；13-收集箱。
具体实施方式
如图所示，一种集储藻与超声抑藻于一体的太阳能浮游装置，所述装置的供电电源包括太阳能供电系统，装置包括船体和船体处的藻类收集储存系统、超声抑藻系统与浮游推进系统；所述藻类收集储存系统包括收集箱13、螺旋压滤机3、活塞收集装置8和用于收集水体藻类的传送带5，所述传送带的斜面朝向船体前进方向，以船体前进时的水压把藻类收集至传送带处；所述超声抑藻系统位于藻类收集储存系统旁侧，包括能以超声波对水体表层抑藻的超声波发生器和超声波换能器；所述船体以浮游推进系统驱动并浮游运行于水面，浮游推进系统对船体游动速度进行控制，使之能与藻类收集储存系统的藻类收集面积、超声抑藻系统的抑藻范围相匹配。
本例中，超声波换能器由与超声波发生器相连的超声波电机7驱动，包括传送带旁侧处的超声波换能器6、船体船身旁侧处的超声波换能器11；活塞收集装置由活塞压缩装置后部电机12驱动。
所述太阳能供电系统的太阳能发电板2设于船体的浮筒10处；所述太阳能发电板与蓄电池组9相连以储存电能；所述蓄电池组包括锂电池；太阳能供电系统通过逆变器把蓄电池组的直流电转换为交流电并输出供电。
所述传送带为可透水式传送带，其传送面处设有压滤布，还设有用于暂存含藻类水体的水坎结构；所述收集箱位于传送带末端处，设有朝向螺旋压滤机的倾斜面漏口；所述螺旋压滤机包括螺距变化的螺旋结构，还包括压滤布、旋转电动机、螺旋叶片、背压板，所述活塞收集装置包括推进活塞和活塞收集箱底部出水口。
所述传送带运行时把水坎结构中的含藻类水体输送至收集箱；当收集箱内的含藻类水体经收集箱的倾斜面漏口进入螺旋压滤机后，所述螺旋结构压缩含藻类水体使之形成藻泥，压缩过程挤出的水经无纺布层过滤后，从螺旋压滤机的底部排出，经过收集槽流向船体后方的活塞收集装置以供回收利用。
所述超声波换能器数量不少于两个，各超声波换能器的超声波发射方向不同。
所述超声波发生器包括信号发生器和功率放大器两部分，输出频率范围为20kHz~40kHz。
所述浮游推进系统包括设于浮游装置尾部的螺旋桨1；所述螺旋桨由电动机驱动；所述电机与电机调速器相连。
所述藻类收集储存系统的传送带设于船体的船头处；所述超声抑藻系统的超声波换能器设于传送带旁侧及船体的船身旁侧处。
一种集储藻与超声抑藻于一体的太阳能浮游装置的工作方法，包括以下步骤；
步骤S1：当太阳能供电系统的太阳能控制器检测到太阳能发电板的发电量达到预设值时，蓄电池组通过时间控制器输出直流电供给传送带、逆变器及电机调速器开关，经逆变器转换为220V交流电，输出给超声波发生器；
步骤S2：利用船体向前推进时传送带斜面与水产生的作用力，将水中的藻通过传送带的压滤布捞取，传送带运送藻类时，通过传送面处的水坎来储存一小部分的水送至收集箱中，当水流过收集箱中的倾斜面漏口时，收集箱内的藻类在水的带动下通过重力作用从收集箱滑至螺旋压滤机，螺旋压滤机以电机驱动其螺旋结构，由于螺旋压滤机中的螺距不同使泵入的藻泥得到压缩，从而使得藻泥中的水分透过外部的无纺布被进一步排干，水分从螺旋压滤机的底部排出，经过收集槽流向船体后方以供回收利用；
步骤S3：在船体浮游并收集藻类时，超声波发生器将电能转换成与超声波换能器相匹配的高频交流电信号，驱动超声波换能器向水体发射特定频率超声波，利用超声波空化产生的高温裂解效应和自由基氧化效应抑制藻细胞生长；同时，电机调速器开关通过电动机来控制螺旋桨的转速，以控制船体在水面上的游动速度，进而控制藻类收集面积及超声波作用范围；
步骤S4：当蓄电池组的电量低于预定电量值时，停止对超声波发生器及电动机的供电，整个装置停止运行，直至下一次太阳能控制器检测到太阳能发电板的发电量达到预设值。
所述太阳能浮游装置以太阳能发电板的发电量为启停作业的时间触发条件，当太阳能供电系统的太阳能控制器检测到太阳能发电板的发电量达到预设值时，即为水体处光照较强，藻类生长旺盛的时段，当蓄电池组的电量低于预定电量值时，即为水体处光照较弱，藻类生长不旺的时段。
本例中，太阳能电池板尺寸为1640mm×992mm×40mm，输出功率为300W。所述超声波换能器频率为40kHz。所述螺旋桨的直径为92mm。所述电动机重量为100g，转速为3880r/min。
经实验，当装置对水体大部分藻类进行收集回收后，采用40kHz的超声波频率进行抑藻，发现对水体中残留的藻类有较好的去除效果。
按福州地区年平均日照时数计太阳能供电系统的每日有效光照时间为4.78h，太阳能电池的发电量约为1.434kW·h/d，可供整个装置运行4h。所设计的装置在水面漂游时，游动速度为10m/min，单台装置每小时可以覆盖至少100m2范围的水域且船体吃水深度约为19cm，能够使超声波转换器与表层水体充分接触，实现对水面残留藻类的抑制作用，最终达到富营养化水体的治理目标。
以上是本发明的较佳实施例，凡依本发明技术方案所作的改变，所产生的功能作用未超出本发明技术方案的范围时，均属于本发明的保护范围。
Claims (7)
1.一种集储藻与超声抑藻于一体的太阳能浮游装置，其特征在于：所述装置的供电电源包括太阳能供电系统，装置包括船体和船体处的藻类收集储存系统、超声抑藻系统与浮游推进系统；所述藻类收集储存系统包括收集箱、螺旋压滤机、活塞收集装置和用于收集水体藻类的传送带，所述传送带的斜面朝向船体前进方向，以船体前进时的水压把藻类收集至传送带处；所述超声抑藻系统位于藻类收集储存系统旁侧，包括能以超声波对水体表层抑藻的超声波发生器和超声波换能器；所述船体以浮游推进系统驱动并浮游运行于水面，浮游推进系统对船体游动速度进行控制，使之能与藻类收集储存系统的藻类收集面积、超声抑藻系统的抑藻范围相匹配；
所述太阳能供电系统的太阳能发电板设于船体的浮筒处；所述太阳能发电板与蓄电池组相连以储存电能；所述蓄电池组包括锂电池；太阳能供电系统通过逆变器把蓄电池组的直流电转换为交流电并输出供电；
所述传送带为可透水式传送带，其传送面处设有压滤布，还设有用于暂存含藻类水体的水坎结构；所述收集箱位于传送带末端处，设有朝向螺旋压滤机的倾斜面漏口；所述螺旋压滤机包括螺距变化的螺旋结构，还包括压滤布、旋转电动机、螺旋叶片、背压板，所述活塞收集装置包括推进活塞和活塞收集箱底部出水口；
传送带运送藻类时，通过传送面处的水坎来储存一小部分的水送至收集箱中，当水流过收集箱中的倾斜面漏口时，收集箱内的藻类在水的带动下通过重力作用从收集箱滑至螺旋压滤机；
所述太阳能浮游装置以太阳能发电板的发电量为启停作业的时间触发条件，当太阳能供电系统的太阳能控制器检测到太阳能发电板的发电量达到预设值时，即为水体处光照较强，藻类生长旺盛的时段，当蓄电池组的电量低于预定电量值时，即为水体处光照较弱，藻类生长不旺的时段；
所述浮游装置通过控制超声频率以避免藻细胞的破裂，利用超声波空化产生的高温裂解效应和自由基氧化效应去除藻细胞释放的藻毒素，避免二次污染问题。
2.根据权利要求1所述的一种集储藻与超声抑藻于一体的太阳能浮游装置，其特征在于：所述传送带运行时把水坎结构中的含藻类水体输送至收集箱；当收集箱内的含藻类水体经收集箱的倾斜面漏口进入螺旋压滤机后，所述螺旋结构压缩含藻类水体使之形成藻泥，压缩过程挤出的水经无纺布层过滤后，从螺旋压滤机的底部排出，经过收集槽流向船体后方的活塞收集装置以供回收利用。
3.根据权利要求1所述的一种集储藻与超声抑藻于一体的太阳能浮游装置，其特征在于：所述超声波换能器数量不少于两个，各超声波换能器的超声波发射方向不同。
4.根据权利要求3所述的一种集储藻与超声抑藻于一体的太阳能浮游装置，其特征在于：所述超声波发生器包括信号发生器和功率放大器两部分，输出频率范围为20kHz~40kHz。
5.根据权利要求1所述的一种集储藻与超声抑藻于一体的太阳能浮游装置，其特征在于：所述浮游推进系统包括设于浮游装置尾部的螺旋桨；所述螺旋桨由电动机驱动；所述电动机与电机调速器相连。
6.根据权利要求1所述的一种集储藻与超声抑藻于一体的太阳能浮游装置，其特征在于：所述藻类收集储存系统的传送带设于船体的船头处；所述超声抑藻系统的超声波换能器设于传送带旁侧及船体的船身旁侧处。
7.一种集储藻与超声抑藻于一体的太阳能浮游装置的工作方法，采用如权利要求1、2、3、4、5或6所述的集储藻与超声抑藻于一体的太阳能浮游装置，其特征在于：包括以下步骤；
步骤S1：当太阳能供电系统的太阳能控制器检测到太阳能发电板的发电量达到预设值时，蓄电池组通过时间控制器输出直流电供给传送带、逆变器及电机调速器开关，经逆变器转换为220V交流电，输出给超声波发生器；
步骤S2：利用船体向前推进时传送带斜面与水产生的作用力，将水中的藻通过传送带的压滤布捞取，传送带运送藻类时，通过传送面处的水坎来储存一小部分的水送至收集箱中，当水流过收集箱中的倾斜面漏口时，收集箱内的藻类在水的带动下通过重力作用从收集箱滑至螺旋压滤机，螺旋压滤机以电机驱动其螺旋结构，由于螺旋压滤机中的螺距不同使泵入的藻泥得到压缩，从而使得藻泥中的水分透过外部的无纺布被进一步排干，水分从螺旋压滤机的底部排出，经过收集槽流向船体后方以供回收利用；
步骤S3：在船体浮游并收集藻类时，超声波发生器将电能转换成与超声波换能器相匹配的高频交流电信号，驱动超声波换能器向水体发射频率范围为20kHz~40kHz的超声波，利用超声波空化产生的高温裂解效应和自由基氧化效应抑制藻细胞生长；同时，电机调速器开关通过电动机来控制螺旋桨的转速，以控制船体在水面上的游动速度，进而控制藻类收集面积及超声波作用范围；
步骤S4：当蓄电池组的电量低于预定电量值时，停止对超声波发生器及电动机的供电，整个装置停止运行，直至下一次太阳能控制器检测到太阳能发电板的发电量达到预设值。
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